CC BY
31
УДК 681.3.07
КОНЦЕПТУАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ САМОСОХРАНЕНИЯ АКТИВНЫХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ
МАШИН
Е.А. Семенчев
Рассматривается один из возможных универсальных подходов к концептуальному проектированию подсистем интеллектуальных беспилотных машин - метод декомпозиции по двойственным парам. Данный подход способен осуществлять анализ и контроль потребностей объекта в процессе функционирования. Рассмотрены потребности в собственной безопасности. Предложена схема построения концептуль-ной модели подсистемы самосохранения объекта, осуществляющая слежение за границами параметров двойственных пар как вне так и внутри объекта.
Ключевые слова: двойственная пара, декомпозиция по двойственным парам, автономные машины, самосохранение.
Технологии искусственного интеллекта (ИИ) всегда были тесно связаны с робототехникой. Создание роботов - машин, способных автономно действовать как человек, в наше время является актуальной задачей. Можно упомянуть космических роботов для изучения поверхности небесных тел Солнечной системы, роботов для подводных исследований. В ходе борьбы с терроризмом возникла острая необходимость в роботах, предназначенных для разминирования подозрительных предметов в местах скопления людей. Нужны «умные» роботы, которые могут без помощи оператора тушить пожары, самостоятельно передвигаться по заранее не известной пересеченной местности, выполнять спасательные операции во время стихийных бедствий, технологических аварий и т.п.
Наличие подсистемы самосохранения в таких машинах обусловлено естественной необходимостью обеспечивать своевременную и адекватную реакцию на опасные изменения в окружающей среде и во внутреннем состоянии. Особенно, если возникшая ситуация способна нарушить функционирование или привести к полному разрушению машины или окружающих объектов во время выполнения поставленной задачи.
Как показано в [1], метод декомпозиции по двойственным парам является одним из универсальных подходов к изучению и построению внутренней организации интеллектуальных машин. В данной работе предложена концептуальная модель подсистемы самосохранения безлюдного автономного объекта (АО), основанная на методе декомпозиции объектов по двойственным парам (ДП).
Предполагается, что объект как целое обладает изначальной внутренней мультидвойственностью, которую по закону сохранения и эволюции двойственных отношений [1] можно разложить на двойственные пары взаимодополняющих друг друга крайностей.
В соответствии с законом сохранения двойственности все угрозы для объекта можно разделить на две большие группы: угрозы, воспринимаемые сенсорами АО, и угрозы, которые сенсоры не способны воспринять. Очевидно, что вторую группу угроз невозможно оценить прямыми методами. Первую же группу угроз можно, в свою очередь, разделить на внутренние и внешние угрозы. К внешним опасностям отнесем угрозы со стороны объектов окружающей среды, к внутренним - угрозы, вызванные изменениями во внутренних структурах (например, выход параметров элементов за допустимые границы).
Вследствие этого подсистема самосохранения АО должна содержать минимальный набор функций:
1. выделение угроз со стороны объектов окружающей среды;
2. выявление угроз вследствие внутрисистемных изменений;
3. оценка степени опасности;
4. формирование адекватной защитной реакции на действующий фактор.
Актуализация работы механизма самосохранения зависит от внутреннего состояния объекта и состояния окружающей среды. Если возникает угроза со стороны окружающей среды или опасные для объекта изменения внутреннего состояния, то возникает потребность в адекватной и своевременной реакции на эти изменения. В качестве таких реакций выступают механизмы реагирования, построенные по типу условно-безусловных рефлексов в живых организмах [2]. Информация от окружающей среды поступает к объекту от внешних сенсоров, настроенных на определенный вид информации. Эта информация впоследствии анализируется и распознается объектом. В памяти АО могут храниться некоторые закодированные наборы данных, полученные от анализаторов и представляющие собой в какой-то мере описания конкретных ситуаций, и алгоритмы поведения, которые активизируются при возникновении аналогичной ситуации. Наборы значений могут быть как изначально занесенными в память объекта в виде сценариев и правил поведения (генетический код), так и накапливаться в течение жизненного цикла объекта. При выборе модели поведения формируются сигналы, направленные на активизацию работы эффекторов либо для воздействия на внутренние структуры, либо для воздействия на окружающую среду. В первом случае механизмы реагирования объекта можно сопоставить с безусловными рефлексами в живых организмах, так как они направлены на сохранение постоянства внутренней среды, а во втором, с условными рефлексами в живых организмах, так как образуется на основании временной связи и служат механизмом приспособления объекта к сложным изменчивым условиям внешней среды. Безусловные рефлексы считаются наследственно закрепленными. Они характеризуются постоянной и однозначной связью между воздействием на тот или иной сенсор объекта и определенной ответной реакцией, обеспечивающей приспособ-
ление организма к стабильным условиям. Назначение безусловного рефлекса - сохранить постоянство внутренней среды активного объекта. Условные рефлексы образуются на основании временной связи и служат механизмом приспособления объекта к сложным изменчивым условиям внешней среды. Способность к образованию временных связей, при действии, даже малозначительных раздражителей, имеет решающее значение, для познавательной деятельности в изучении закономерностей окружающего мира. Чем многочисленнее временные связи, между отдельными раздражителями, тем богаче и полноценнее, образы окружающего мира. Условный рефлекс, образующийся как действие какого-либо агента, совпадает по времени или предшествует действию раздражителя, вызывающему определенный безусловный рефлекс. Контур управления (реагирования) активного объекта на основе рефлексии хорошо изучен многими исследователями и представлен на рис.1.
Рис. 1. Контур управления (реагирования) на основе рефлексии
Принцип действия механизма самосохранения АО можно вывести и из закона сохранения двойственности (при декомпозиции двойственного объекта на части по двойственным парам двойственность сохраняется на любом уровне иерархии). Сформируем механизм самосохранения АО на основе организации циклических процессов в многомерных двойственных парах (ДП). «Интеллектуальные» ДП ориентируются на анализ возможных угроз и активизируют необходимые механизмы реагирования. Наиболее общими угрозами для любой внешней ДП являются столкновение с разными объектами, а для внутренних ДП - выход параметров за граничные значения соответствующей шкалы «чувства».
Взаимоотношения между состоянием некоторой ДП, контролируемой соответствующей сенсорной ДП со шкалой «чувства», и активностью эффекторной ДП системы безопасности можно пояснить зависимостью, представленной на рис. 2.
% У
Рис. 2. Характер активности эффекторов ДП при приближении ее параметров к граничным значениям
При приближении к граничным значениям шкалы «чувства» некоторой ДП активность соответствующих эффекторов системы безопасности резко возрастает и направлена на отвод текущего состояния контролируемой ДП от опасных крайностей. Чем ближе состояние ДП к граничному значению, тем сильнее «сигнал тревоги». Такой характер взаимоотношений сенсорных и эффекторных пар системы безопасности отражает общий балансный механизм САМОрегуляции двойственных пар.
Далее рассмотрим принципиальную организацию механизма самосохранения в упрощенном виде применительно к расстоянию между объектами (рис.3).
Как видно из рис. 3, чем ближе объекты, образующие ДП, находятся друг к другу, тем больше сигнал «тревоги», тем активнее работают эффекторы, гармонизируя баланс «далеко - близко». Для восстановления баланса в ДП достаточно сделать обход по кресту. По такому принципу, например, действует саморегуляция автомобилей в потоке машин, взаимная регуляция птиц или саранчи при полете в стае, пешеходы стараются придерживаться расстояния 1/3 ширины тротуара, все живые организмы стараются придерживаться «безопасного расстояния» от других объектов и
В целом, механизм самосохранения строится на двойственных парах, формирующих два замкнутых взаимодействующих цикла - аппаратного (горизонтальный), преобразующего управляющие сигналы в действия посредством эффекторов, и информационного (вертикальный), который содержит элементы интеллектуальной деятельности АО, преобразующие полученную от сенсоров информацию для вычисления риска (рис.4).
Рис. 3. Схема принципа работы механизма самосохранения
тш Риск
Рис.4. Общая схема работы механизма самосохранения
Аппаратный цикл (горизонтальный) в зависимости от текущей потребности активизирует или тормозит работу эффекторных механизмов. Этот цикл состоит из двух фаз, активной и пассивной. На активной фазе реализуются алгоритмы, устраняющие угрозы. Эта фаза использует все необходимые сценарии и методы: «Сценарий 1,Сценарий 2Сценарий ТУ». Цель этой фазы - минимизация опасности со стороны окружающей среды или внутренней среды.
Пассивная фаза аппаратного цикла двойственной пары и содержит ряд сценариев для восстановления ресурсов активного объекта, потраченных на активной фазе: «Сценарий 1, Сценарий 2,...., Сценарий М». Во время пассивной фазы восстанавливается баланс внутренних структур, нарушенный в ходе использования данного вида ресурса эффекторами во время активной фазы.
Активная и пассивная фазы могут быть разными по длительности в зависимости от моментов прихода управляющих сигналов. Эффекторы (не обязательно все) работают постоянно независимо от фазы. С актуализацией цели эффекторы работают на уменьшение обнаруженной угрозы.
Сигнал о достигнутом уровне безопасности активного объекта передается на ортогональный цикл двойственной пары механизма самосохранения - информационный. Данный цикл вырабатывает необходимую информацию для управления эффекторами, осуществляет оценку степени риска, а также обрабатывает информацию шкалы некоторого чувства (отображает степень «страха» или «бесстрашия» активного объекта). На этой шкале (совмещенной с осью двойственной пары) минимуму риска соответствует точка 0 (штЯ), а максимуму - точка шахЯ. Можно принять, что значения риска находятся в диапазоне от 0 < я < 1.
Значения шкалы отображают определенную степень риска достижения граничных значений некоторого параметра состояния элементов АО. В динамике можно считать допустимым уровень риска, не превышает значение я < 0.618 (по «золотому сечению»). Данная шкала может быть разбита на три уровня контроля состояния по принципу «золотого сечения», который поддерживает динамический баланс в природе.
Учитывая все вышесказанное, укрупненную концептуальную схему подсистемы самосохранения можно представить следующим образом (рис. 5.).
Информация от объектов окружающей среды воспринимается сенсорами АО (например, звуковым сенсором ЗВ и тактильным сенсором СД). После обработки поступившего сигнала формируется интегральный образ объекта окружающей среды.
Предполагается, что АО обладает, по крайней мере, одной плоскостью симметрии, относительно которой можно говорить о правой и левой половинах автономного объекта. При этом с левой половиной связывается левый канал обработки звука, с правой - правый канал обработки звука. Так как звуковой сенсор работает в стереорежиме, то формируется левый и правый образы объекта. В общем случае они отличаются друг от друга. Для того чтобы получить звуковой образ объекта окружающей среды, необходимо ликвидировать, возникшую несимметрию, соответственно активизировав процедуры ликвидации несимметрии. От этого блока поступает сигнал на эффекторы сенсоров. В случае возникновения несимметрии при формировании звукового образа необходимо произвести поворот АО таким образом, чтобы ликвидировать эту несимметрию (повернуться на объ-
ект окружающей среды), сбалансировав звуковое давление в левом и правом сенсоре. Аналогичное происходит и при возникновении несимметрии в случае формирования тактильного образа объекта.
Звуковой канал
г-ч-------
Восприятие Обработка Форм-е образа сигнала ЗВ-л
г
ОБЪЕКТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Е
Восприятие Обработка Форм-е образа сигнала ЗВ-п
Контактно-^ ^ силовой канал
N
Восприятие Восприятие
Обоработка ■ Обработка
Форм-е образа ■ Форм-е образа
сигнала СД-л сигналов СД-п
1_ - 1
Активизация процедур ликвидации нессиметрии
Блок анализа 1_Т характеристик и выбора объекта внимания
Память образов
ОПО
Анализ и распознавание образа
Вычисление потребности в безопасности Формирование
вдп
+/-Потр ^ 1 +/-Потр
Определение Ртт, Рт\п
Блок анализа 1_Т характеристик и выбора объекта внимания
I
ОПО
Анализ и распознавание образа
Активизация процедур ликвидации нессиметрии
Память образов
Образ обработан
Память действий
Модуль динамического планирования
действий ~~[
Набор операций
Образ обработан
Активизация плана действий
Модуль динамического планирования действий
Память действий
1
Модуль управления
1
Набор операций
Силовые эффекторы
ОБЪЕКТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Рис. 5. Концептуальная схема механизма самосохранения
По сформированным звуковым стереообразам внешнего объекта вычисляются его пространственно-временные характеристики. Поскольку возможно наличие нескольких источников звука, осуществляется предварительный выбор объекта внимания. Звуковой образ выбранного объекта поступает во временное хранение в оперативную память образов (ОПО).
Далее активизируется процедура поиска сформированного образа объекта в долговременной памяти образов АО. В случае обнаружения подобного образа в памяти, анализируются свойства объекта. С образом объекта могут быть связаны свойства объекта и алгоритмы поведения. В противном случае возникает потребность в исследовании неизвестного объекта (информационный цикл). Эта потребность подается на подсистему самоуправления. Активизируются процедуры поиска информации. Достаточное количество информации позволяет оценить действующий фактор. Так как АО располагает информацией о себе и имеет возможность оценить действующий фактор, то возможно сравнение этих оценок. В результате формируется потребность в безопасности. Далее необходимо сформировать соответствующее поведение, используя модели поведения заложенные при создании объекта, (безусловные рефлексы), либо формируя новые модели поведения (условные рефлексы), используя поступающую от органов чувств информацию.
Таким образом, закон сохранения двойственных отношений обеспечивает высокую степень интеграции разнородных информационно-активных каналов в единую целострую подсистему. Эта целостность строится на основе триединства «сенсор интеллектуальный регулятор эффектор». При этом каждая триада построена по единому принципу «образу и подобию». Интеллектуальный регулятор может быть как единый для всех триад, так и распределенный по каналам обработки информации. В итоге подход к проектированию, основанный на законе сохранения двойственности как при декомпозиции, так и при обратном синтезе, позволяет сузить поле поиска необходимых концептуальных решений.
Список литературы
1. Семенчев Е. А. Системный анализ и синтез искусственных живых машин: двойственный аспект. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. 252 с.
2. Анохин П. К. Биология и нейрофизиология условного рефлекса. М.: Медицина, 1968. 547 с.
Семенчев Евгений Александрович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
CONCEPTUAL DESIGN SYSTEMS OF SELF-PRESERVA TION OF THE ACTIVE INTELLIGENT MACHINES
E.A. Semenchev
One of the possible approaches to universal conceptual design of intelligent subsystems, unmanned vehicles - decomposition method for dual pairs. This approach is able to analyze and control the object needs in the operation. Considered in its own security needs. A scheme of the model subsystem kontseptulnoy preservation of the object as well as monitoring the boundaries of dual parameter pairs as out and inside the object.
Key words: dual pair, decomposition by dual pairs, stand-alone machines, self-preservation.
Semenchev Evgeniy Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 69.002.5
СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ПРИВОДОВ ЦЕМЕНТНЫХ МЕЛЬНИЦ
А.Г. Трошина
Изучен процесс модернизации приводов горизонтальных цементных мельниц, выделены этапы, требующие формализации процесса принятия решения, представлен морфологический анализ проектов приводов. Разработана принципиальная схема системы поддержки принятия решений для проектирования приводов цементных мельниц.
Ключевые слова: цементная мельница, проектирование, морфологический анализ, оптимизация, система поддержки принятия решений.
Цемент является базовым строительным материалом, используемым как самостоятельный продукт, так и как компонент для производства других строительных материалов. Процесс производства цемента требует объедения в одной линии множества машин и агрегатов. На последнем этапе производства происходит помол клинкера с добавками в цементных мельницах.
Основные фонды цементной промышленности России характеризуются высоким прогрессирующим износом. Очевидно, что для поддержания цементного производства на актуальном техническом уровне необходимы ремонт и модернизация многих цементных мельниц и их приводов.
Около 90 % эксплуатируемых в России цементных мельниц имеют горизонтальную компоновку с мелющими телами в форме стальных шаров. Главный привод такой мельницы содержит электродвигатель, редуктор, соединительные муфты. При этом возможно использование различных компоновок приводов в зависимости от расположения компонентов привода относительно цементных мельниц и с различным исполнением редукторов. Наиболее сложным в организации ремонтных работ, наиболее дорогостоящим и критическим с точки зрения работоспособности всей линии является редуктор главного привода [5].
277
